JPH01116530A - Optical switching element and optical switching matrix comprising the same - Google Patents
Optical switching element and optical switching matrix comprising the sameInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、対向壁が結合間隔と称す小距離だけ離間して
結合長と称す長さDに亘って平行に延在する2個の光ガ
イドを具え、これら光ガイドの各々を第1の小屈折率n
0を有する材料の半導体基板上に形成された第2の屈折
率n、>noを有する半導体材料の直線ストリップG□
及び1(IIで構成し、これらガイドの寸法を各々が単
一モード波を導波するように定め、且つ一方のガイドか
ら他方のガイドへの光のスイッチング動作をこれらガイ
ドに設けられた電極システム8口及びMに印加される電
位又は電流の作用により生じさせるようにした光スイツ
チング素子に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention comprises two light guides whose opposing walls extend parallel to each other over a length D, called the coupling length, separated by a small distance, called the coupling spacing. each with the first small refractive index n
A straight strip of semiconductor material G□ with a second refractive index n, > no formed on a semiconductor substrate of material with 0
and 1 (II), each of these guides being dimensioned to guide a single mode wave, and an electrode system provided on these guides to effect the switching action of light from one guide to the other. This invention relates to an optical switching element which is generated by the action of a potential or current applied to an 8-port and M.
本発明は更に、nxm個のこれらスイッチング素子から
成る光スイツチングマトリクスに関するものである。The invention furthermore relates to an optical switching matrix consisting of nxm of these switching elements.
本発明は上記のスイッチング素子及びマトリクスの製造
方法にも関するものである。The present invention also relates to a method of manufacturing the above-mentioned switching element and matrix.
本発明は、光ファイバにより伝送される光信号のスイッ
チングに使用され、例えば多数の光フアイバ間のスイッ
チングを可能にしてファイバにより伝送される光信号を
種々の加入者間の切換処理中に電気信号に変換する必要
がないようにする必要がある電気通信の分野に使用され
る。The present invention is used for switching optical signals transmitted by optical fibers, for example to enable switching between a large number of optical fibers, to convert optical signals transmitted by fibers into electrical signals during the switching process between various subscribers. Used in the field of telecommunications where there is no need to convert.
上述した種類のスイッチングマトリクスを構成するのに
好適な光スイツチング素子はrsecondEurop
ean Conference on Integra
ted 0ptics」(1983年10月17−18
日、イタリア フロ、−レンス開催)において発表さ
れたジェイ・ブラントン。Optical switching elements suitable for constructing switching matrices of the type described above are rsecondEurope
ean Conference on Integra
ted 0ptics” (October 17-18, 1983)
Jay Blanton announced at the Flo, Lens, Italy).
エイ・カレンコ等の論文:
rDouble Heterostructure
GaAs−A1. Ga+−x AsRib Wave
Guide Directional Couple
r 5w1tch Jから既知である。Paper by A. Kalenko et al.: rDouble Heterostructure
GaAs-A1. Ga+-x AsRib Wave
Guide Directional Couple
It is known from r 5wltch J.
この論文には砒化ガリウム(GaAs)のストリップか
ら成る2個の光ガイドで構成されたスイッチング素子が
記載されている。これらのストリップは平行であって、
砒化ガリウム(GaAs)の平坦な基板上にあって光ガ
イド内に光を閉じ込める層として作用する砒化ガリウム
アルミニウム(GaAIAs)の層の表面に並べて形成
される。別の砒化ガリウムアルミニウム(GaAIAs
)の層により光ガイドを形成するストリップの各々を覆
う。各ストリップは出発層をエツチングして基板上に浮
彫形成される。最後にショットキ型の電極が各光ガイド
の表面に形成されると共に基板の反対側表面にオーム接
点を形成する層が設けられる。This article describes a switching element consisting of two light guides made of gallium arsenide (GaAs) strips. These strips are parallel and
It is formed on a flat substrate of gallium arsenide (GaAs) juxtaposed with a layer of gallium aluminum arsenide (GaAIAs) which acts as a layer to confine light within the light guide. Another gallium aluminum arsenide (GaAIAs)
) covering each of the strips forming the light guide. Each strip is embossed onto the substrate by etching the starting layer. Finally, a Schottky-type electrode is formed on the surface of each light guide and a layer forming an ohmic contact is provided on the opposite surface of the substrate.
各光ガイドは単一モード波を伝搬し、これら光ガイドの
小さい横方向離間距離のために一方又は他方の光ガイド
に与える分極によって2個の単一モードガイドの結合を
変化させて所望のスイッチングを得ることかできる。Each light guide propagates a single mode wave, and due to the small lateral separation of these light guides, the coupling of the two single mode guides can be varied by polarization imparted to one or the other light guide to achieve the desired switching. Can you get it?
しかし、結合長、即ち、光を一方のガイドから他方のガ
イドへ移すために必要な長さは結合間隔、即ちガイドの
横方向離間距離と、ガイドの構造とに依存する。上述の
論文から既知のガイドの構造は「外部ストリップ」タイ
プのものである。このタイプのものは2つのガイド間の
結合が小さく、従って結合長が大きくなり、代表的には
5〜8mmである。However, the coupling length, ie, the length required to transfer light from one guide to another, depends on the coupling spacing, ie, the lateral separation of the guides, and the structure of the guides. The structure of the guide known from the above-mentioned article is of the "external strip" type. This type has a small bond between the two guides and therefore a large bond length, typically 5-8 mm.
斯る距離は集積スイッチグマトリクスを形成する場合に
大きな問題となる。実際上、マドリスクはガイドの長さ
方向に縦続配置されたn個のこのような結合素子を具え
、集積に適さない表面積を必要とする。Such distances pose a major problem when forming integrated switch matrices. In practice, a Madrisk comprises n such coupling elements arranged in cascade along the length of the guide, requiring a surface area that is not suitable for integration.
他方、斯るスイッチングマトリクスを得るためには、1
つの光路を周期的に偏向させる必要がある。これはrJ
ournal of Applied Physics
JVat。On the other hand, in order to obtain such a switching matrix, 1
It is necessary to periodically deflect two optical paths. This is rJ
Internal of Applied Physics
JVat.
45、 N(111,1974年11月、pp499
7−4999のエフ・オウラチャ及びエッチ・エッチ・
ウィッチの論文:rNew Directional
Coupler of Integraated 0p
tics Jに示されているように、1つのスイッチン
グ素子のガイドの1つを他のスイッチング素子のガイド
の1つに湾曲ガイド部により接合することにより得るこ
とができる。しかし、小さな損失を達成するこめにはこ
の湾曲ガイド部を大きな曲率半径(代表的には10ミリ
メートル) にして90°の方向変化中に1dB以下の
損失が得られるようにする必要がある。これがためマト
リクスにより占められる面積が一層大きくなり集積に適
さなくなる。45, N (111, November 1974, pp499
7-4999 F Ouracha and Ecchi Ecchi
Witch Paper: rNew Directional
Coupler of Integrated 0p
tics J, by joining one of the guides of one switching element to one of the guides of another switching element by means of a curved guide part. However, in order to achieve low losses, this curved guide section must have a large radius of curvature (typically 10 millimeters) to provide less than 1 dB loss during a 90° change in direction. This makes the area occupied by the matrix larger and less suitable for integration.
上述の論文は斯るスイッチング素子の欠点を2個の光ガ
イドを重畳層により得ることにより解決することを提案
している。しかし、この構造は他方のガイドに対する一
方のガイドのアラインメントに必要なマスクを高精度に
形成する必要があるため製造効率が低くなりすぎて安価
な集積回路用に適さないこと明らかである。これがため
、この論文は更に、2個の光ガイドを自発結合を避ける
に十分な距離だけ離して並置すると共にこれらガイドを
別の層で被覆して両ガイドから誘電体層で分離され且つ
両ガイドをまたぐ第3の光ガイドを形成した構造を提案
している。この論文はこのようにすると結合が改善され
ることを示している。The above-mentioned paper proposes to overcome the drawbacks of such switching elements by obtaining two light guides by superimposed layers. However, it is clear that this structure is not suitable for low-cost integrated circuits because the mask required for alignment of one guide with respect to the other guide must be formed with high precision, resulting in too low manufacturing efficiency. For this reason, this paper further proposes that two light guides be juxtaposed at a distance sufficient to avoid spontaneous coupling, and that these guides be coated with another layer, separated from both guides by a dielectric layer, and that both guides be separated by a dielectric layer. We have proposed a structure in which a third light guide is formed that straddles the area. This paper shows that this improves the coupling.
しかし、この構造は重畳光ガイドの上述のアラインメン
トによる欠点に加えて、3個の光ガイドを必要とするた
めに一層複雑になる問題がある。また、この論文には個
別素子以外の装置については記載がなく、完全なスイッ
チングマトリクスをどのようにして得るかについては記
載されていない。However, in addition to the drawbacks due to the above-mentioned alignment of the superimposed light guides, this structure suffers from the added complexity of requiring three light guides. Furthermore, this paper does not describe any device other than individual elements, nor does it describe how to obtain a complete switching matrix.
従って、この回路の設計者は個別素子の形成から複雑な
回路の形成へと推移させることが極めて困難であること
を認識しているものである。Designers of these circuits therefore recognize that it is extremely difficult to move from forming individual elements to forming complex circuits.
最後に、欧州特許出願第209190号から、光ガイド
に鏡を設けて光ビームを偏向させることが既知である。Finally, it is known from European Patent Application No. 209190 to provide a light guide with mirrors to deflect the light beam.
しかし、これに示されている構造は、2個の重畳光ガイ
ドで構成され、この構造は上述の理由から避ける必要が
あるものである。更に、上側光ガイド上に鏡をエツチン
グにより形成する際、極めて臨界的なマスク工程を用い
て下側の光ガイドのエツチングを避ける必要があるため
、この構造の形成はかなり難しいものとなる。従って、
斯る装置の製造効率はかなり低いものとなる。However, the structure shown here consists of two overlapping light guides, which should be avoided for the reasons mentioned above. Furthermore, when etching the mirror onto the upper light guide, very critical masking steps must be used to avoid etching of the lower light guide, making the formation of this structure quite difficult. Therefore,
The manufacturing efficiency of such devices is quite low.
今日、前述した電気通信の分野では著しく高い性能を有
し、著しく小形化され、著しく安価、即ち高い製造効率
で容易に実現し得る電気光学回路が必要とされている。Today, in the above-mentioned field of telecommunications, there is a need for electro-optical circuits which have significantly higher performance, are significantly more compact, are significantly cheaper, ie can be easily realized with high manufacturing efficiency.
本発明の目的は上述した問題を解決することにあり、こ
の目的のために本発明は頭書に記載した種類のスイッチ
ング素子において、
主光ガイドと称す第1光ガイドGilの一端を当該光ス
イツチング素子の入力端に接続すると共に該ガイドの他
端を当該スイッチング素子の直行出力端に接続し、
副光ガイドと称す第2光ガイドH11には前記電極シス
テムB目の区域を越えた位置に、該ガイドの光軸に対し
45°をなす平坦側面から成る鏡Mllを設け、
前記副光ガイドl(t+を、該ガイドの光軸に対し90
°に配置され前記鏡により反射された光を受光する副光
ガイドH′8.と称す光ガイド部分に接続し、
前記副光ガイドH’ 11を、前記主光ガイドGiiと
交差して前記副光ガイドH1tと平行に延在し、他端が
当該スイッチング素子の横方向出力端に接続さ−れた横
方向主光ガイドG’ 11に間隔dで結合し、
前記副光ガイドH’ 11及び前記横方向主光ガイドG
’ 11には電位又は電流の印加によりこれらのガイド
の一方から他方への光のスイッチングを生じさせる電極
システムIli’ itを設け、前記全ての光ガイドと
基板をこれら光ガイドの屈折率より低い第3の屈折率n
2を有する半導体材料のプレーナ層(2)で覆い、この
プレーナ層の平坦表面上に前記電極システム6i1及び
B’ iiを配置すると共にこのプレーナ層には前記鏡
Mi1の周囲の光ガイドの構造を基板まで露出させる開
口Qiiを設けたことを特徴とする。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and for this purpose, the present invention provides a switching element of the type described in the header, in which one end of the first light guide Gil, called the main light guide, is connected to the switching element. and the other end of the guide is connected to the orthogonal output end of the switching element, and a second light guide H11, referred to as a sub-light guide, has a second light guide H11, which is connected to the input end of the electrode system B, and the other end of the guide is connected to the orthogonal output end of the switching element. A mirror Mll is provided with a flat side surface at an angle of 45° to the optical axis of the guide, and the sub-light guide l(t+ is 90° to the optical axis of the guide)
A sub-light guide H'8. The auxiliary light guide H' 11 is connected to a light guide portion called ``Gii'' and extends parallel to the auxiliary light guide H1t, intersecting the main light guide Gii, and the other end thereof is connected to a lateral output end of the switching element. coupled to the lateral main light guide G' 11 connected to the lateral main light guide G' 11 at a distance d, and the sub light guide H' 11 and the lateral main light guide G
' 11 is provided with an electrode system Ili' it which causes the switching of light from one of these guides to the other by the application of an electric potential or current, and all said light guides and the substrate are arranged in a matrix with a refractive index lower than that of said light guides. refractive index n of 3
2, on the planar surface of which the electrode systems 6i1 and B' ii are arranged, and in which the structure of the light guide around the mirror Mi1 is provided. It is characterized by providing an opening Qii that exposes the substrate.
図面につき本発明を説明する。The invention will be explained with reference to the drawings.
第1図に示すように、本発明の光スイツチング素子は小
屈折率n0を有する単結晶基板1上に形成された高い屈
折率n、>noを有する2個の半導体ストリップG21
及びH2+ を具える。As shown in FIG. 1, the optical switching device of the present invention consists of two semiconductor strips G21 having a high refractive index n,>no formed on a single crystal substrate 1 having a small refractive index n0.
and H2+.
第1図に示すこれらのストリップは矩形断面を有してい
る。これらのストリップは直線であり、距離dだけ互い
に離間され、この距離dを結合間隔と称している。これ
らのストリップはそれらの光軸に対し距離りに亘って平
行に延在し、この距離りを結合長と称している。These strips shown in FIG. 1 have a rectangular cross section. These strips are straight and are spaced apart from each other by a distance d, which is referred to as the coupling spacing. These strips extend parallel to their optical axis over a distance, which is called the coupling length.
これらのストリップはプレーナ構造が得られるように小
屈折率n2<n、を有する層2内に埋置する。These strips are embedded in a layer 2 with a small refractive index n2<n, so that a planar structure is obtained.
光ガイドG、l は第1図に示す素子の全長に亘って延
在して光ガイドG2□に融合する。この光ガイドG21
は点21において、ガイドGxt及びH2+ と同一
の構造を有する光ガイドG′21と直角に交差する。The light guide G,l extends over the entire length of the element shown in FIG. 1 and merges into the light guide G2□. This light guide G21
intersects at a right angle at point 21 the light guide G'21, which has the same structure as the guides Gxt and H2+.
これに対し、光ガイドH2+ には基板1の平面に垂直
をなすと共にこの光ガイドH21の光軸に対し45°を
なす鏡面を有する鏡M2+を設ける。この鏡はガイドH
21からの波をこれと直角をなす同一の構造のガイドH
′21へと反射させる。On the other hand, the light guide H2+ is provided with a mirror M2+ having a mirror surface perpendicular to the plane of the substrate 1 and at an angle of 45° to the optical axis of the light guide H21. This mirror is Guide H
A guide H of the same structure makes a wave from 21 at right angles to this.
'21.
ガイドH′2.及びG′21は、上述した結合間隔dだ
けを互いに離間させると共に上述の結合長りに亘って互
いに平行に配置する。Guide H'2. and G'21 are spaced from each other by the above-mentioned coupling distance d and are arranged parallel to each other over the above-mentioned coupling length.
プレーナ層2にはガイドG2□+6’21の交差区域2
1及びガイドH2+ に設けた鏡M21 の区域を露出
させる窓Q21 を設ける。In the planar layer 2, there is an intersection area 2 of the guide G2□+6'21.
1 and a window Q21 exposing the area of the mirror M21 provided on the guide H2+.
この窓92.の寸法は結合長りより小さくするが、この
ことは本発明の構造を略図的に示し一定の倍率で示して
ない第1図からは明らかでない。This window 92. is smaller than the bond length, but this is not apparent from FIG. 1, which schematically shows the structure of the invention and is not shown to scale.
本発明のスイッチング素子は更に4個の電極から成る第
1電極システムを具え、ガイド021及び821上のこ
れら電極の位置をE、lで示しである。The switching element of the invention further comprises a first electrode system consisting of four electrodes, the positions of which on the guides 021 and 821 are designated E, l.
この電極システムは、ガイドG、l上にその先軸に平行
に配置され且つ短絡しないように互いに小距離だけ離間
させた2個の表面電極と、ガイドH21上に配置された
2個の同一の表面電極とで構成される。これらの電極は
プレーナ層20表面に形成され、これら電極の製造方法
については後述する。This electrode system consists of two surface electrodes placed on the guides G,l parallel to their tip axes and spaced a short distance apart from each other to avoid short circuits, and two identical surface electrodes placed on the guide H21. It consists of a surface electrode. These electrodes are formed on the surface of the planar layer 20, and a method for manufacturing these electrodes will be described later.
これら電極は電位又は電流を印加することにより動作さ
せることができる。そして電気光学効果、或いは電荷の
空乏化又は電荷の注入を生ずる電界を発生させて光信号
を変調することができる。These electrodes can be operated by applying a potential or current. The optical signal can then be modulated by generating an electro-optic effect or an electric field that causes charge depletion or charge injection.
本発明のスイッチング素子は更に、ガイドG′21及び
H′21上に第1電極システムと同一の4個の電極の第
2電極システムを具え、これら電極の位置を8 ’ 2
1で示しである。The switching element of the invention further comprises a second electrode system of four electrodes identical to the first electrode system on the guides G'21 and H'21, the positions of these electrodes being 8' 2
It is indicated by 1.
4X4個のこれらのスイッチング素子で構成されたスイ
ッチングマトリクスを第2図に平面図で線図的に示す。A switching matrix made up of 4.times.4 of these switching elements is diagrammatically shown in a plan view in FIG.
このマトリクスは基板1上に4×4個の第1図に示す種
類のスイッチング素子構造を縦続に配置して得られる。This matrix is obtained by cascading 4.times.4 switching element structures of the type shown in FIG. 1 on a substrate 1.
このマトリクスは次のように動作する。例えば光信号φ
がマトリクスの入力端IN、においてガイドGll に
注入されるものとする。電極システムLlに印加される
適切な電位又は適切な電流の作用によって光ビームを、
・結合間隔dによる自発結合によりガイド)Illへ移
すことなくガイドGl+内に保持することができ(第6
a図参照)、或いは
・ガイド)Illへ完全に移すことができる(第6b図
参照)。This matrix works as follows. For example, optical signal φ
is injected into the guide Gll at the input end IN of the matrix. By the action of a suitable potential applied to the electrode system Ll or a suitable current, the light beam can be held in the guide Gl+ without being transferred to Ill (by spontaneous coupling with the coupling spacing d).
(see figure a) or can be completely transferred to the guide (see figure 6b).
後者の場合、ビームは鏡M11 によりガイドH’ 1
1へ反射され、適切な電位又は盾切な電流を電極システ
ムE′1.に供給することによりビームをガイドH’
11からガイドG′11へ移すことができる。ガイド1
Ett及びG/i□を「主ガイド」と称す。主ガイドG
’ 11はガイドG’ 21.−−− G’ 41で延
長され、光ビームを出力端゛0.で受信することができ
る(第2図)。In the latter case, the beam is guided by mirror M11 H' 1
1, the appropriate potential or shielding current is reflected to the electrode system E'1.1. Guide the beam by supplying H'
11 to guide G'11. Guide 1
Ett and G/i□ are referred to as "main guides". Main guide G
'11 is guide G'21. --- G' 41 is extended and the light beam is output to the output end '0. (Figure 2).
これに対し、ビームが主ガイドGll内に保持されてい
る場合には、電極B12+−−−61,に印加する電位
の作用によってビームを直交出力端1/1又は横方向出
力端0□、−同一〇、の1つに導くことができる。On the other hand, when the beam is held within the main guide Gll, the beam is directed to the orthogonal output end 1/1 or the lateral output end 0□, - by the action of the potential applied to the electrodes B12+---61, It can lead to one of the same 〇.
スイッチングマトリクスは本発明のnxn個のスイッチ
ング素子により構成することができる。The switching matrix can be constituted by nxn switching elements of the present invention.
この場合このマ) IJクスはn個の入力端IN、、−
−−IN、、 −−−IN 、を有し、これら入力端の
1つ、例えばINiに注入された光信号を横方向主ガイ
ドの出力端0.、−0.、−−−0.にスイッチするこ
とができ、また主ガイドの直交出力端1/i に直接導
くことができる。斯るマトリクスは意図する用途に応じ
て本発明のlXn個のスイッチング素子又はnxm個の
スイッチング素子を具えるものとすることもできる。In this case, the IJ box has n input terminals IN, -
--IN, , ---IN, and transmits the optical signal injected into one of these input ends, for example INi, to the output end 0. of the lateral main guide. , -0. , ---0. can be switched directly to the orthogonal output 1/i of the main guide. Depending on the intended application, such a matrix may also comprise lXn switching elements or nxm switching elements of the invention.
本発明のスイッチング素子の構造は特に有利な製造方法
の使用を可能にする。The structure of the switching element according to the invention allows the use of particularly advantageous manufacturing methods.
本発明スイッチング素子の一例の製造方法は第3図に示
す以下の工程を具える。A method for manufacturing an example of the switching element of the present invention includes the following steps shown in FIG.
(a)結晶面に沿い平坦表面を有する単結晶基板lを形
成する。この基板は装置で使用する所定の波長λに対し
低t1屈折率n。を有するn゛導電型の2光材料A、B
Vで形成する(第3a図)(b) 光ガイドを構成す
るために、基板1の表面に波長λに対し屈折率n、>n
oを有するロー導電型の材料、例えば4元材料(A、X
、BY、YV)の平坦エピタキシャル層3を形成する(
第3b図)。(a) A single crystal substrate l having a flat surface along the crystal plane is formed. This substrate has a low t1 refractive index n for a given wavelength λ used in the device. Two optical materials A and B of n conductivity type having
(Fig. 3a) (b) In order to constitute a light guide, a refractive index n, >n is formed on the surface of the substrate 1 for the wavelength λ.
A material of low conductivity type with o, for example a quaternary material (A,
, BY, YV) is formed (
Figure 3b).
(C) 層3を例えば反応イオンエツチング(RIE
)方法によりエツチングし、このエツチングを基板1が
0.5μmを超えない深さe t、例えば0.1〜0.
5μmの深さに亘ってエツチングされるまで行う(第3
C図)。このエツチングは第3d図に平面図で示すマス
クMK、を用いて行い、エツチング後に基板上に、
・直交主ガイド及び横方向主ガイドGii及びG’ i
iを形成するストリップと、
・副ガイド1ltt及びH’ ifと鏡Milを形成す
るストリップと、
を残存させる。(C) Layer 3 is etched by reactive ion etching (RIE), for example.
) method, and the substrate 1 is etched to a depth et of not exceeding 0.5 μm, for example 0.1 to 0.5 μm.
Repeat until etching is done to a depth of 5 μm (3rd step)
Figure C). This etching is carried out using a mask MK shown in plan view in FIG. 3d, and after etching, on the substrate:
The strips forming the sub-guides 1ltt and H'if and the mirror Mil are left.
RIE方法はエツチングエツジがエツチングすべき表面
に垂直に得られる利点壬有しく第3C図参照)、このこ
とは鏡Miiの形成に重要である。The RIE method has the advantage that the etching edge is perpendicular to the surface to be etched (see Figure 3C), which is important for the formation of mirror Mii.
本発明の方法によれば、光ガイドと鏡が単一のマスクを
用いていわゆるセルフアラインメント技術によリー工程
で形成される。According to the method of the invention, the light guide and the mirror are formed in a Lee process using a single mask and using a so-called self-alignment technique.
基板1と光ガイドの相対屈折率は光がガイド内に閉じ込
められるように選択する。しかし、特に4元及び2元材
料層の組成により、光導波を得ることができる。The relative refractive indices of the substrate 1 and the light guide are chosen such that the light is confined within the guide. However, especially due to the composition of the quaternary and binary material layers, optical waveguiding can be obtained.
(6)n2<n、のような低屈折率n2を有するn−導
電型の2元材料(A[By)の層2をエピタキシャル成
長により形成する(第3e図)。(6) A layer 2 of an n-conductivity type binary material (A[By) having a low refractive index n2 such that n2<n is formed by epitaxial growth (FIG. 3e).
この工程はブレーナ装置を得るためのものである。従っ
て、このエピタキシャル成長は、この目的のために、ガ
イドの表面でこの層が平面となるような成長条件の下で
気相から又は液相から行う。ガイド上方のプレーナ層2
の厚さはe′である。This process is for obtaining a brainer device. The epitaxial growth is therefore carried out for this purpose either from the gas phase or from the liquid phase under growth conditions such that the layer is planar at the surface of the guide. Planar layer 2 above the guide
The thickness of is e'.
前述したように前記カレンコの論文による5部ストリッ
プ」型の既知の装置は小さな結合係数を有し、従って大
きな結合長を必要すとる。As mentioned above, the known device of the "5-part strip" type according to Kalenko's paper has a small coupling coefficient and therefore requires a large coupling length.
これに対し、本発明によれば光ガイドは僅かに異なる屈
折率を有するプレーナ層2内に埋置される。この状態で
は結合係数が従来既知の装置の結合係数の約4倍になる
。これがため結合長を著しく短くすることができる。従
って本発明の装置は小形になり、その寸法が集積回路の
形成に適するものとなる。In contrast, according to the invention the light guide is embedded in a planar layer 2 with a slightly different index of refraction. In this state, the coupling coefficient is approximately four times that of the conventionally known device. This allows the bond length to be significantly shortened. The device of the invention is therefore compact and its dimensions are suitable for forming integrated circuits.
更に、使用する材料AIIBV及び使用するエピタキシ
ャル成長及び反応イオンエツチング技術は本発明の電気
光学装置に隣接する集積回路の形成と完全に共通する。Furthermore, the material AIIBV used and the epitaxial growth and reactive ion etching techniques used are completely compatible with the formation of integrated circuits adjacent to the electro-optical device of the present invention.
更に、プレーナ層2のエピタキシャル成長中に主ガイド
Gil及びG’ itの交差区域及び鏡Mtiの区域に
対応する略々方形の区域Q(iをマスクMに2によりマ
スクしてこの区域を層2の成長から保護する点に注意さ
れたい。Furthermore, during the epitaxial growth of the planar layer 2, an approximately rectangular area Q (i is masked by mask M with 2 to form this area of the layer 2) corresponds to the area of intersection of the main guides Gil and G' it and the area of the mirror Mti. Note the protection from growth.
実際上、鏡Mllはこれら鏡の区域にふける光ガイドの
外部媒体が空気の場合にのみ全反射にすることができ、
このことは層2の開口Qiiによって得ることができる
°(第3e図にガイドを断面図で示してあり、第3f図
にマスクMK2を平面図で示しである)。In practice, mirrors Mll can only be totally internally reflective if the external medium of the light guide immersed in the area of these mirrors is air;
This can be obtained by means of the openings Qii in layer 2 (FIG. 3e shows the guide in cross-section and FIG. 3f shows the mask MK2 in plan).
有利な例では、光ガイドを厚さ6>l μI及び巾Wシ
2μm (第3e図参照)の寸法に形成すると共に間隔
d−k1.5μlで互いに離間させ、プレーナ層2をガ
イドより上の厚さe′が約1μmとなるように形成、す
る。In an advantageous example, the light guides are formed with dimensions of thickness 6>l .mu.I and width W 2 .mu.m (see FIG. 3e) and are spaced apart from each other by a distance d-k 1.5 .mu.l, with the planar layer 2 above the guide. It is formed so that the thickness e' is about 1 μm.
プレーナ層2はガイド内の光損失を低減する他の利点も
もたらす。実際上、ガイドの長手側壁及び土壁はエツチ
ングにより得られるため、これらの壁は粗面になり、そ
の外部媒体が空気の場合には散乱により大きな損失をも
たらす。The planar layer 2 also provides the other advantage of reducing optical losses within the guide. In practice, the longitudinal side walls of the guide and the earthen walls are obtained by etching, so that these walls have a rough surface and lead to high losses due to scattering when the external medium is air.
ガイドはガイドの屈折率(n、)にかなり近い屈折率n
2を有する媒体内に埋置されるため、これらの損失は屈
折率の差n、−n2を小さくするほど小さくなる。この
効果は屈折率n1を有する媒体内の先導波を発生する光
閉じ込め効果とは異なるものであるが、この先導波のた
めには小さな屈折率の差n、−n、で十分であり、また
単一モード動作のためにも小さな屈折率の差が必要とさ
れる。The guide has a refractive index n that is quite close to the refractive index of the guide (n, )
2, these losses become smaller as the refractive index difference n, -n2 becomes smaller. This effect is different from the optical confinement effect that generates a leading wave in a medium with a refractive index n1, but a small difference in refractive index n, -n is sufficient for this leading wave, and A small refractive index difference is also required for single mode operation.
しかし、層2内の開口Qitにおいてガイド内にある程
度の損失が生ずる。しかし、これらの開口を小寸法、好
ましくは最大で口′X口′さ10μm×10μmにして
これらの損失を制限することができる。他方、損失を制
限するために、開口Qilの区域内のガイドHtt及び
H’ ifの幅Wを第4f図に示すように突部14及び
15によって増大させることができる。実際上、埋込み
ガイド内を伝搬する波Aは第3J図に示す波形を有する
が、空気で囲まれたガイド内を伝搬する波Aは第3に図
に示す波形を有する。これがため、突部14及び15で
拡大されたガイド部分は第31図に断面図で示すように
損失を低減することができる。However, some loss occurs in the guide at the opening Qit in layer 2. However, these losses can be limited by making these apertures small in size, preferably at most 10 .mu.m x 10 .mu.m wide. On the other hand, in order to limit losses, the width W of the guides Htt and H'if in the area of the opening Qil can be increased by protrusions 14 and 15, as shown in FIG. 4f. In practice, a wave A propagating in an embedded guide has the waveform shown in Figure 3J, whereas a wave A propagating in an air-enclosed guide has the waveform shown in Figure 3. Therefore, the guide portion enlarged by the protrusions 14 and 15 can reduce the loss as shown in the cross-sectional view in FIG. 31.
最後に、プレーナ層2はガイド上の電極の形成に特に好
適な上側表面を提供する利点をもたらす。Finally, the planar layer 2 has the advantage of providing a particularly suitable upper surface for the formation of electrodes on the guide.
(e) 電極システムE目及びE’ 11を構成する
ために、プレーナ層2のガイドの上方位置に、例えばイ
オン注入によりp゛゛電型の領域4を形成する(第3h
図)。こうしてガイドGiiの上方に2個の領域F1及
びF2を形成すると共にガイドG’ ifの上方に2個
の領域F3及びF4を形成する。(e) To form the electrode systems E and E' 11, regions 4 of the p type are formed in the planar layer 2 above the guides by, for example, ion implantation (3 h).
figure). In this way, two regions F1 and F2 are formed above the guide Gii, and two regions F3 and F4 are formed above the guide G'if.
イオン注入は第3g図に示すMK、の開口を経て一工程
で行うことができる。これらのp゛型領領域イオンの拡
散により形成することもできる。Ion implantation can be performed in one step through the opening of MK shown in FIG. 3g. It can also be formed by diffusion of these p' type region ions.
結合長りはl mmより僅かに短い長さであるが、開口
011の寸法D′は上述したように10μm程度である
。Although the coupling length is slightly shorter than 1 mm, the dimension D' of the opening 011 is about 10 μm, as described above.
(f) 電極システムBat及びε ifの形成のた
めに、p゛゛電型の領域4の表面に従来既知の任意の方
法により金属層5、例えばチタン−プラチナ−金(Ti
−Pt−Au)の多重層を形成する(第31図)。(f) For the formation of the electrode systems Bat and ε if, a metal layer 5, for example titanium-platinum-gold (Ti
-Pt-Au) (FIG. 31).
マスクMK3の位置決めは2つの理由から問題を生じな
い。第1の理由は構造がプレーナ構造であるからである
。これがため、フォトリトグラフ方法を容易に行うこと
ができる。第2の理由は、マスクMK、の配置によって
ガイドが見えなくなるが、開口の位置を基準として用い
てマスクMに、をセンタリングすると共に開口を整列さ
せることができるからである。このことは本発明装置の
構造の追加の利点をもたらす。Positioning of mask MK3 presents no problems for two reasons. The first reason is that the structure is a planar structure. Therefore, the photolithography method can be easily performed. The second reason is that although the guide is hidden from view by the arrangement of the mask MK, the position of the aperture can be used as a reference to center the mask M and align the apertures. This provides an additional advantage of the construction of the device according to the invention.
更に、工程(C)において基板内までエツチングして基
板を深さe′に亘って僅かに掘り下げる反応イオンエツ
チングは本発明装置に利点をもたらす点に注意されたい
。第1に、エツチング処理を基板の上側表面のレベルで
正確に停止させるよりも基板を僅かにエツチングするま
で続ける方が容易である。これがため、この手段は技術
的な容易さをもたらす。更に、この基板の僅かな掘り下
げは電界と光学的な場との相互作用を増大させて本発明
装置の電気光学効果を最大にすることを可とする。これ
がため、光ガイドを第31図に示すように一層満足に分
離する(第31図には電気力線Hを示しである)。Furthermore, it should be noted that reactive ion etching, which etches into the substrate in step (C) and slightly excavates the substrate to a depth e', provides advantages in the apparatus of the present invention. First, it is easier to continue the etching process until it has slightly etched the substrate than to stop it precisely at the level of the upper surface of the substrate. This measure therefore provides technical ease. Moreover, this slight recess of the substrate allows to increase the interaction between the electric and optical fields and to maximize the electro-optic effect of the device of the invention. This results in a more satisfactory separation of the light guides as shown in FIG. 31 (the electric field lines H are shown in FIG. 31).
本発明の装置の変形例においては、基板をn゛゛電型に
しない。これを半絶縁性にする。この変更はダイオード
や電界効果トランジスタを含む検出器や増幅器等のよう
な電子集積回路をスイッチングマトリクスと関連させて
同一の基板上に形成する必要がある場合に有利である。In a variant of the device of the invention, the substrate is not of the n-type. Make this semi-insulating. This modification is advantageous when electronic integrated circuits such as detectors, amplifiers, etc., including diodes and field effect transistors, need to be formed on the same substrate in conjunction with the switching matrix.
この場合には、上述の製造方法の工程(a)、 (b)
。In this case, steps (a) and (b) of the above-mentioned manufacturing method
.
(C)を第4図に示す順次の工程と置換する。(C) is replaced with the sequential steps shown in FIG.
(a)′結晶面に沿う平坦表面を有する単結晶基板lO
を形成する。この基板は波長λに対し小さな屈折率n1
0を有する半絶縁性の2光材料AffIBvで造る(第
4a図)。(a) Single-crystal substrate lO with a flat surface along the crystal plane
form. This substrate has a small refractive index n1 for the wavelength λ.
0 (FIG. 4a).
(b’υ基板10の表面にn+導電型の2光材料Arf
iBVの平坦エピタキシャル層1′を形成する。この層
の厚さは0.5μmとするのが好ましい。この層の屈折
率は波長λに対し小さい値n 10−00に選択する(
第4b図)。(On the surface of the b'υ substrate 10 is an n+ conductivity type diopter material Arf.
A flat epitaxial layer 1' of iBV is formed. The thickness of this layer is preferably 0.5 μm. The refractive index of this layer is selected to be a small value n 10-00 for the wavelength λ (
Figure 4b).
(b’ 2) 層1′の表面に、波長λに対し屈折率
n、> no、 n’。を有するn−導電型の材料、例
えば4元材料(AIXIIIBvYV)の約0.5〜1
μmの厚さの平坦エピタキシャル層3を形成する(第4
C図)。(b' 2) On the surface of layer 1', refractive index n, > no, n' for wavelength λ. about 0.5 to 1 of a material of n-conductivity type, such as a quaternary material (AIXIIIBvYV)
A flat epitaxial layer 3 with a thickness of μm is formed (fourth
Figure C).
(e′)層3及び1′を例えば反応イオンエツチング(
RIE)方法により、下側の基板10が0゜5μmを超
えない深さe′に亘ってエツチングされるまでエツチン
グする(第4d図)。このエツチング工程はマスクMK
’ 、を用いて行う。マスクMK’は第4f図に示すよ
うに光ガイドを限界すると共に層1′及び3の一部分を
残存させて「ブリッジ」、即ち全てのガイドを電気的に
相互接続するn°導電型の層1′の相互接続部を形成す
ることができる。実際上、マス接点Mはn゛層上形成さ
れ、形成すべきマス接点が多くなりすぎないようにする
必要がある場合にはガイド下部のn゛層部分を第4e図
に示すように簡単に相互接続するのが有利である(第4
e図は装置の平面図を示す第4f図のI−I線上の断面
図である)。(e') Layers 3 and 1' are removed by, for example, reactive ion etching (
RIE) until the lower substrate 10 is etched to a depth e' not exceeding 0.5 μm (FIG. 4d). This etching process is a mask MK.
', is used. The mask MK' delimits the light guide and leaves parts of layers 1' and 3 to form a "bridge", i.e. layer 1 of n° conductivity type, which electrically interconnects all the guides, as shown in Figure 4f. ' interconnects can be formed. In practice, the mass contacts M are formed on n layers, and if it is necessary to avoid too many mass contacts to be formed, the n layers at the bottom of the guide can be simply removed as shown in Figure 4e. It is advantageous to interconnect (fourth
Fig. e is a sectional view taken along the line I--I of Fig. 4f, which shows a plan view of the device.
一方のガイドと他方のガイドを電気的に接続するブリッ
ジの形成は臨界的でなく、これらのブリッジではどのガ
イドまたはガイド部分も絶縁分離しない場合には装置内
の任意の位置に位置させることができる。他方、これら
のブリッジの存在はこれらのブリッジが例えばガイドの
幅Wに等しい小さな横方向寸法であればガイド内の波の
伝搬を妨げないことが知られている。本発明装置の一例
又は変形例の製造方法は次の工程で続けられる。The formation of bridges electrically connecting one guide to the other is not critical and these bridges can be located at any location within the device provided that no guide or guide portion is isolated. . On the other hand, it is known that the presence of these bridges does not impede the propagation of waves within the guide if these bridges have small lateral dimensions, for example equal to the width W of the guide. The method of manufacturing an example or variant of the device according to the invention continues with the following steps.
((至) n゛導電型の層1又は1′の表面にマス接点
Mの電極6を形成する(第31図)。この目的のために
、装置が存在しない区域において上側層を層1,1′の
一部分が露出するまでエツチングし、オーム接点型の金
属層、例えば金−ゲルマニウム−ニッケル(Au−Ge
−Ni)’の多重層を堆積する。用途に応じて、これら
のマス接点電極は装置の一方の表面又は他方の表面に形
成することができる。実際上、基板がn゛型の場合には
マス接点は装置の背面上又は上側層をエツチング除去し
た前面上のどちらにも形成することができる。基板が半
絶縁性の場合にはマス接点は層2及び3をエツチング除
去して前面に形成する。((to) Form the electrode 6 of the mass contact M on the surface of the layer 1 or 1' of conductivity type n (FIG. 31). For this purpose, in the area where no device is present, the upper layer is replaced with layer 1, Etch until a portion of 1' is exposed and add an ohmic contact type metal layer, e.g.
Depositing multiple layers of -Ni)'. Depending on the application, these mass contact electrodes can be formed on one surface or the other surface of the device. In practice, if the substrate is n'-type, the mass contacts can be formed either on the back side of the device or on the front side with the upper layer etched away. If the substrate is semi-insulating, the mass contacts are formed on the front side by etching away layers 2 and 3.
本発明装置の用途は特に電気通信の分野にある。The device of the invention finds particular application in the field of telecommunications.
この目的のために、ガイドで伝送される光信号の波長は λ。=1.3μm 2111.55μm とすることができる。For this purpose, the wavelength of the optical signal transmitted in the guide is λ. =1.3μm 2111.55μm It can be done.
これらの条件では、基板を構成する2元化合物Al11
BvはAll1をインジウム(In)とし、BVを燐(
P)として燐化インジウム(InP) とするのが有
利である。Under these conditions, the binary compound Al11 constituting the substrate
For Bv, All1 is indium (In), and BV is phosphorus (
Indium phosphide (InP) is advantageously used as P).
この基板は鉄(Fe)を1018 am 3の濃度でド
ーピングすることにより半絶縁性にすることができる。This substrate can be made semi-insulating by doping with iron (Fe) at a concentration of 1018 am3.
化合物InPはS原子を2・10”cm□3程度の濃度
でドーピングすることによりn+導電型にすることもで
きる。The compound InP can also be made to have n+ conductivity type by doping with S atoms at a concentration of about 2.10''cm□3.
この場合屈折率は、
no ′:=t3.1994 (λさ1.32μmにお
いて)になる。In this case, the refractive index is no':=t3.1994 (at a λ length of 1.32 μm).
ガイドを構成するのに好適な層3を形成する4元化合物
は化学式Alx1IIBvYVを有し、ここにAはイン
ジウム(I n)、Xはガリウム(Ga)、Bは燐(P
)及びYは砒素(As)である。この場合、その組成は
<Gax In、−x AsyP+−y)で表わされ、
ここで、yユ0.1及びXさ0.46yシ0.046で
ある。A quaternary compound forming layer 3 suitable for constructing the guide has the chemical formula Alx1IIBvYV, where A is indium (In), X is gallium (Ga) and B is phosphorus (P).
) and Y are arsenic (As). In this case, its composition is expressed as <Gax In, -x AsyP+-y),
Here, y is 0.1, x is 0.46, and y is 0.046.
この化合物はλ=1.32 μmにおいて屈折率n。This compound has a refractive index n at λ=1.32 μm.
= 3.2049 > noを有する。GaInAsP
のギャップ波長は0.97 μmである。= 3.2049 > has no. GaInAsP
The gap wavelength of is 0.97 μm.
この4元化合物(GalnAsP) は故意のドーピン
グをしなければn−導電型を有することもできる。This quaternary compound (GalnAsP) can also have n-conductivity type without intentional doping.
ブレーナ層2は上述したようにn−導電型の2元化合物
AよりV、即ち例えば故意にドーピングされてなく且つ
n2ユ3.2049 (λさ1.32において)の屈折
率を有する燐化インジウム(InP)で形成することが
できる。As mentioned above, the Brenna layer 2 is made of V from the binary compound A of n-conductivity type, that is, for example, indium phosphide which is not intentionally doped and has a refractive index of n2 u3.2049 (at λ of 1.32). (InP).
本発明の変形例では、ブレーナ層2はn−導電型、即ち
故意にドーピングされてなく、且つ(Ga、 In+−
x AsyP+−y)で表わされ、X = 0.46y
でy=0.03〜0.05であるような4元化合物(A
MXIIBvY、、)で形成することもできる。In a variant of the invention, the brainer layer 2 is of n-conductivity type, ie not intentionally doped and (Ga, In+-
x AsyP+-y), X = 0.46y
A quaternary compound (A
MXIIBvY, , ).
p゛導電型の領域は公知の技術により例えばZn又は8
e又はCdのイオンを10′8〜10I10l9aの濃
度で注入又は拡散することにより得ることができる。The p conductivity type region is formed using known techniques such as Zn or 8
It can be obtained by implanting or diffusing e or Cd ions at a concentration of 10'8 to 1011019a.
このようにして実現すると、4X4スイツチング素子の
マトリクスの寸法は4X4mm2程度になり、1つのス
イッチング素子の寸法は主として結合長りにより決まる
lX1mm2程度になる。When realized in this way, the dimensions of the matrix of 4×4 switching elements will be approximately 4×4 mm 2 , and the dimensions of one switching element will be approximately 1×1 mm 2 , which is determined mainly by the coupling length.
上述したように、本発明のマトリクスを形成する技術は
検出器りのような集積回路の形成と共通する。As mentioned above, the techniques for forming the matrix of the present invention are common with the formation of integrated circuits such as detectors.
これら検出器は主出力ガイドI’ ti又は0目の表面
に形成した例えばダイオード[lttとすることができ
る(斯る装置の平面図を示す第5a図及びその■−■線
上の断面図を示す第5a図参照)。検出器Di1の領域
に右いて、ガイドG’ itの幅Wを増大させる点に注
意されたい。These detectors can be, for example, diodes [ltt] formed on the surface of the main output guide I'ti or 0 (FIG. 5a shows a plan view of such a device and its sectional view along the line (see Figure 5a). Note that right in the area of the detector Di1, the width W of the guide G' it is increased.
基板がInPのような2元半導体材料A m B vか
ら成る上述の実施例にふいてはこれらのダイオードはガ
イドの層3の表面に形成された吸収層30を具えるもの
とすることができる。この吸収層は約1μmの厚さを有
するn−導電型のGa1nAsのような3元材料の層と
するのが好ましい。この吸収層30は装置の主直行ガイ
ド及び主横方向ガイドの出力端部を除いた部分を覆うマ
スクMKSの開口内に形成する。この層は例えば気相又
は液層エピタキシャル成長により得られる。次に、この
マスクMK、を除去して工程(C)を実行し得るように
する。In the embodiments described above, in which the substrate is made of a binary semiconductor material A m B v, such as InP, these diodes can be provided with an absorption layer 30 formed on the surface of the layer 3 of the guide. . This absorption layer is preferably a layer of a ternary material such as Ga1nAs of n-conductivity type with a thickness of approximately 1 μm. This absorption layer 30 is formed in an opening in a mask MKS that covers the main orthogonal guide and the main lateral guide of the device except for the output ends. This layer is obtained, for example, by vapor phase or liquid phase epitaxial growth. Next, this mask MK is removed so that step (C) can be performed.
堆積層、本例では30.3及び1′をエツチングする工
程(C)を前述した方法で行う。次いで、工程(C)と
工程(6)との間に、誘電体保護層を検出領域上に堆積
する工程を介挿して検出領域をプレーナ層2の堆積から
保護する。この保護層は保護マスクMK2と同一の層で
形成することができ、この保護層MK2をブレーナ工程
(イ)の終了後に除去する。次いでp゛イオン注入領域
4を限界するマスクMに3に検出領域に対応する開口を
設け、工程(e)及び(f)を上述の方法で続ける。こ
うするとp″″導電型の領域40が各検出領域内に形成
され、その上に電気接点50が形成される(第5a図)
。Step (C) of etching the deposited layers, in this example 30.3 and 1', is carried out in the manner described above. Then, between step (C) and step (6), a step of depositing a dielectric protective layer on the detection area is inserted to protect the detection area from the deposition of the planar layer 2. This protective layer can be formed of the same layer as the protective mask MK2, and this protective layer MK2 is removed after the brainer step (a) is completed. The mask M delimiting the p-ion implantation region 4 is then provided with an opening 3 corresponding to the detection region and steps (e) and (f) are continued in the manner described above. A region 40 of p'''' conductivity type is then formed in each detection region, on which an electrical contact 50 is formed (FIG. 5a).
.
本発明の実施に当っては他の材料を用いることもでき、
また他の寸法を用いることもできる。これらの条件に応
じて伝送される波は異なる波長になり、電気通信以外の
用途にも使用することができる。Other materials may be used in the practice of the present invention;
Other dimensions may also be used. Depending on these conditions, the transmitted waves will have different wavelengths and can be used for applications other than telecommunications.
その製造方法も他のエツチング技術や堆積技術を用いる
ことができる。Other etching techniques and deposition techniques can also be used for the manufacturing method.
第1図は本発明の光スイツチング素子を線図的に示す斜
視図、
第2図は本発明の4×4個の光スイツチング素子から成
る光スイッチングマトリククスを線図的に示す平面図、
第3a〜3I1図は本発明の光スイツチング素子の一例
の製造方法を示す図、
第4a〜4f図は本発明の光スイッチング素子め変形例
の製造方法を示す図、
第5a及び5b図は本発明の光スイツチングマドグリス
の光ガイドの出力端の光検出器の製造方法を示す図、
第6a及び6b図は本発明の光スイツチング素子内の光
ビームの進路を示す図である。
1・・・基板 2・・・プレーナ層3・・
・光ガイドストリップ
Git(G□1.622)・・・主直行光ガイドG’
If(G’ ■+ 6’ 21)・・・主構方向光ガイ
ドH目、” tt(Hat、 H’ 21)・・・副光
ガイドBit+ B’ tt(E2+、 B’ 21)
・・・電極システムLt(L+)・・・鏡 Qi
i(Q21)・・・開口IN+−−−IN4・・・入力
端
1/ l−+−1/、・・・直行出力端0+−−−04
・・・横方向出力端
Dii・・・検出器 M・・・マス電極4・・
・p゛型接点領域 5,6・・・金属層lO・・・半
絶縁性基板
1′・・・n+導電型エピタキシャル層30・・・吸収
層 40・・・p+型接点領域50・・・金
属層
MK、、 Mに′51Mに*、 MKs、 MKs・・
・マスク特許出願人 エヌ・ベー・フィリップス・フ
ルーイランペンファブリケン
FIG、 2
FIG、 3 t
η ず1FIG. 1 is a perspective view diagrammatically showing an optical switching element of the present invention; FIG. 2 is a plan view diagrammatically showing an optical switching matrix consisting of 4×4 optical switching elements of the present invention; 3a to 3I1 are diagrams showing a manufacturing method of an example of the optical switching device of the present invention, FIGS. 4a to 4f are diagrams showing a manufacturing method of a modified example of the optical switching device of the present invention, and FIGS. 5a and 5b are diagrams showing a manufacturing method of an example of the optical switching device of the present invention. Figures 6a and 6b are diagrams illustrating the path of a light beam within the optical switching element of the present invention. 1...Substrate 2...Planar layer 3...
・Light guide strip Git (G□1.622)...Main orthogonal light guide G'
If (G' ■+ 6' 21)...Main direction light guide H' tt (Hat, H' 21)...Sub light guide Bit+ B' tt (E2+, B' 21)
... Electrode system Lt (L+) ... Mirror Qi
i(Q21)...Opening IN+----IN4...Input end 1/l-+-1/,...Direct output end 0+----04
... Lateral output end Dii... Detector M... Mass electrode 4...
- P type contact regions 5, 6...Metal layer lO...Semi-insulating substrate 1'...N+ conductivity type epitaxial layer 30...Absorption layer 40...P+ type contact region 50... Metal layer MK,, M'51M*, MKs, MKs...
・Mask patent applicant N.B.Philips Fluiranpenfabriken FIG, 2 FIG, 3 t η zu 1
Claims (1)
と称す長さDに亘って平行に延在する2個の光ガイドを
具え、これら光ガイドの各々を第1の小屈折率n_0を
有する材料の半導体基板上に形成された第2の屈折率n
_1>n_0を有する半導体材料の直線ストリップG_
i_i及びH_i_iで構成し、これらガイドの寸法を
各々が単一モード波を導波するように定め、且つ一方の
ガイドから他方のガイドへの光のスイッチング動作をこ
れらガイドに設けられた電極システムE_i_i及びM
に印加される電位又は電流の作用により生じさせるよう
にした光スイッチング素子において、 主光ガイドと称す第1光ガイドG_i_iの一端を当該
光スイッチング素子の入力端に接続すると共に該ガイド
の他端を当該スイッチング素子の直行出力端に接続し、 副光ガイドと称す第2光ガイドH_i_iには前記電極
システムE_i_iの区域を越えた位置に、該ガイドの
光軸に対し45゜をなす平坦側面から成る鏡M_i_i
を設け、 前記副光ガイドH_i_iを、該ガイドの光軸に対し9
0°に配置され前記鏡により反射された光を受光する副
光ガイドH′_i_iと称す光ガイド部分に接続し、 前記副光ガイドH′_i_iを、前記主光ガイドG_i
_iと交差して前記副光ガイドH_i_iと平行に延在
し、他端が当該スイッチング素子の横方向出力端に接続
された横方向主光ガイドG′_i_iに間隔dで結合し
、 前記副光ガイドH′_i_i及び前記横方向主光ガイド
G′_i_iには電位又は電流の印加によりこれらのガ
イドの一方から他方への光のスイッチングを生じさせる
電極システムE′_i_iを設け、 前記全ての光ガイドと基板をこれら光ガイ ドの屈折率より低い第3の屈折率n_2を有する半導体
材料のプレーナ層(2)で覆い、このプレーナ層の平坦
表面上に前記電極システム E_i_i及びE′_i_iを配置すると共にこのプレ
ーナ層には前記鏡M_i_iの周囲の光ガイドの構造を
基板まで露出させる開口Q_i_iを設けたことを特徴
とする光スイッチング素子。 2、前記光ガイドの断面は矩形であることを特徴とする
請求項1記載の光スイッチング素子。 3、前記基板(1)はn^+導電型の2元材料A_III
B_Vで構成し、前記光ガイドを形成するストリップ(
3)はn^−導電型の4元材料(A_IIIX_IIIB_V
Y_V)で構成し、前記プレーナ層(2)はn^−導電
型の2元材料(A_IIIB_V)及び4元材料(A_II
IX_IIIB_VY_V)の中から選んだ材料で構成した
ことを特徴とする請求項2記載の光スイッチング素子。 4、前記基板(10)は半絶縁性の2元材料(A_III
B_V)で構成し、前記光ガイドを形成するストリップ
はn^+導電型の2元材料 (A_IIIB_V)の層(1′)とn^−導電型の4元
材料(A_IIIX_IIIB_VY_V)の層(3)の多重
層で構成し、前記プレーナ層(2)はn^−導電型の2
元材料(A_IIIB_V)及び4元材料 (A_IIIX_IIIB_VY_V)の中から選んだ材料で
構成し、且つ前記光ガイドの下側層を形成するn^+導
電型の層(1′)は部分的に電気的に相互接続してある
ことを特徴とする請求項2記載の光スイッチング素子。 5、前記電極システムは前記n^+導電型の材料の層(
1又は1′)とオーム接点を形成する金属層から成るマ
ス電極M(6)と、主光ガイド及び副光ガイド上にそれ
ぞれ2個づつ互いに整列させて対称に配置されたそれぞ
れ4個の電極F_1、F_2、F_3及びF′_1、F
′_2、F′_3、−F′_4の電極群E_i_i及び
E′_i_iとで構成し、これら電極の各々は光ガイド
の上方のプレーナ層(2)内に形成したp^+導電型の
領域(4)とこの領域とオーム接点を形成する金属層(
5)とで形成したことを特徴とする請求項3又は4記載
の光スイッチング素子。 6、前記材料の元素Aはインジウム(In)、元素Bは
燐(P)、元素Xはガリウム(Ga)及び元素Yは砒素
(As)であることを特徴とする請求項3〜5の何れか
に記載の光スイッチング素子。 7、前記n^+型の層(1、1′)上のオーム接点はA
u−Ge−Niの多重層で構成し、前記p^+型領域(
4)上のオーム接点はTi−Pt−Auの多重層で構成
したことを特徴とする請求項3〜6の何れかに記載の光
スイッチング素子。 8、n個の入力端子IN_1、IN_2‐‐‐IN_n
と、n個の直行出力端子I′_1、I′_2‐‐‐I′
_nとm個の横方向出力端子O_1、O_2、‐‐‐O
_mとを具え、これら入出力端子間でスイッチング動作
を行う光スイッチングマトリクスにおいて、当該マトリ
クスは請求項1〜7の何れかに記載のn×m個の光スイ
ッチング素子を各素子の主光ガイドと副光ガイドがそれ
ぞれ互いの延長部となるように2方向に並べて構成した
ことを特徴とする光スイッチングマトリクス。 9、各主直行出力ガイド又は横方向出力ガイドにはその
上面に光信号の検出器Dを直接設け、この検出器は光ガ
イドの屈折率より大きい屈折率n_3を有する波長λの
吸収層(30)で構成し、この吸収層内にp^+型領域
(40)を形成し、その表面にオーム接点(50)を形
成したことを特徴とする請求項8記載の光スイッチング
マトリクス。 10、前記吸収層(30)は3元材料(A_IIIX_II
IB_V)で構成したことを特徴とする請求項9記載の
光スイッチングマトリクス。 11、前記検出器のオーム接点(50)はTi−Pt−
Auの多重層で構成したことを特徴とする請求項9記載
の光スイッチングマトリクス。 12、請求項1記載の光スイッチング素子を製造するに
当り、少なくとも (a)装置の動作波長に対し小さい屈折率n_0を有す
るn^+導電型の2元材料A_IIIB_Vから成る、結
晶面に沿う平坦表面を有する単結晶基板(1)を形成す
る工程と、 (b)前記基板の表面に、波長λに対し屈折率n_1>
n_0を有するn^−導電型の4元材料A_IIIX_II
IB_VY_Vの平坦エピタキシャル層(3)を形成す
る工程と、 (c)前記4元材料層(3)を反応イオンエッチング(
RIE)方法により基板(1)が小さな深さに亘ってエ
ッチングされるまで行い、このエッチングはマスク(M
K_1)を用いて行い、このエッチング工程後に、 ・直行及び横方向主光ガイドG_i_i及びG′_i_
iを形成するストリップと、 ・副光ガイドH_i_i及びH′_i_iとこれらガイ
ドの光軸に対し45゜をなす基板の表面に垂直な鏡M_
i_iとを形成するストリップを基板上に残存させる工
程と、 を具えることを特徴とする光スイッチング素子の製造方
法。 13、請求項第1、第2又は第4項に記載の光スイッチ
ング素子を製造するに当り、 (a′)長λに対し小さな屈折率n′_0を有する2元
材料A_IIIB_Vからなる、結晶面に沿う平坦表面を
有する半絶縁性の単結晶基板(10)を形成する工程と
、 (b′_1)前記基板の表面に、波長λに対し小さな屈
折率n_0≒n′_0を有するn^+導電型の2元材料
A_IIIB_Vの平坦エピタキシャル層(1′)を形成
する工程と、 (b′_2)前記n^+層(1′)の表面に、波長λに
対し屈折率n_1>n_0、n′_0を有するn^−導
電型の平坦エピタキシャル層(3)を形成する工程と、 (C′)前記層(3)及び(1′)を例えば反応イオン
エッチング(RIE)方法により、下側の基板(10)
が小さな深さに亘ってエッチングされるまでエッチング
し、このエッチングは、光ガイドと、光ガイドの光軸に
対し45゜をなす基板に垂直な鏡M_i_iとを限界す
ると共に前記n^+層(1′)内に光ガイドの種々の部
分間を相互接続する部分を残存させるマスク(MK′_
1)を用いて行う工程とを具えることを特徴とする光ス
イッチング素子の製造方法。 14、工程(b′_2)及び(C′)間に、(C_0)
光ガイドG_i_i及び/又はG′_i_iの出力端部
を除いた全面を覆うマスク(MK_5)を形成し、これ
ら光ガイドの端部の表面に動作波長の吸収層(30)を
形成し、次いでこのマスク(MK_5)を除去する工程
を介挿することを特徴とする請求項13記載の方法。 15、(d)n_2<n_1のような小さな屈折率n_
2を有するn^−導電型の2元材料A_IIIB_Vのプ
レーナ層(2)をエピタキシャル成長し、このエピタキ
シャル成長中マスク(MK_2)によって鏡M_i_i
の区域と、もしあれば吸収領域(30)とをマスクする
工程と、 (e)マスク(MK_3)の開口を介してイオン注入又
は拡散により、もしあれば吸収領域(30)の表面p^
+導電型の領域(40)を形成すると共に、光ガイドの
上方のプレーナ層部分の表面にp^+導電型の領域(4
)を形成して光ガイドG_i_i及びF_i_iの上方
にそれぞれ2個の接点領域(F_1、F_2及びF_3
、F_4)を形成すると共に光ガイドG′_i_i及び
F′_i_iの上方にそれぞれ2個の接点領域(F′_
1、F′_2及びF′_3、F′_4)を形成する工程
と、 (f)これらp^+導電型の領域(4及び40)の表面
に金属接点(5及び50)を形成してオーム接点を形成
する工程と、 (g)n^+導電型の層(1)又は(1′)の表面に金
属層(6)を形成してマス接点(M)を形成する工程と
を更に具えることを特徴とする請求項12、13又は1
4記載の方法。[Scope of Claims] 1. Opposing walls are provided with two light guides extending in parallel over a length D, called the coupling length, separated by a small distance called the coupling spacing, each of these light guides A second refractive index n formed on a semiconductor substrate of a material having a first small refractive index n_0
Straight strip G of semiconductor material with _1>n_0
i_i and H_i_i, the dimensions of these guides are such that each guides a single mode wave, and the switching action of light from one guide to the other is effected by an electrode system E_i_i provided on these guides. and M
In an optical switching element, one end of a first light guide G_i_i, called the main light guide, is connected to the input end of the optical switching element, and the other end of the guide is connected to the input end of the optical switching element. A second light guide H_i_i, connected to the orthogonal output of the switching element and designated as auxiliary light guide, comprises, beyond the area of the electrode system E_i_i, a flat side surface at an angle of 45° to the optical axis of the guide. Mirror M_i_i
and the auxiliary light guide H_i_i is arranged at an angle of 9 with respect to the optical axis of the guide.
connected to a light guide section called a sub light guide H'_i_i which is arranged at 0° and receives the light reflected by the mirror, and connects the sub light guide H'_i_i to the main light guide G_i.
the secondary light guide H_i_i intersects with the auxiliary light guide H_i_i, and is coupled at a distance d to a lateral main light guide G'_i_i whose other end is connected to the lateral output end of the switching element; The guide H'_i_i and said lateral main light guide G'_i_i are provided with an electrode system E'_i_i which causes the switching of light from one of these guides to the other by the application of a potential or current, and all said light guides and the substrate with a planar layer (2) of a semiconductor material having a third refractive index n_2 lower than the refractive index of these light guides, and arranging said electrode systems E_i_i and E′_i_i on the planar surface of this planar layer, and An optical switching element characterized in that this planar layer is provided with an opening Q_i_i that exposes the structure of the light guide around the mirror M_i_i to the substrate. 2. The optical switching element according to claim 1, wherein the light guide has a rectangular cross section. 3. The substrate (1) is n^+ conductivity type binary material A_III
A strip consisting of B_V and forming the light guide (
3) is an n^- conductivity type quaternary material (A_IIIX_IIIB_V
The planar layer (2) is composed of an n^- conductivity type binary material (A_IIIB_V) and a quaternary material (A_II
3. The optical switching element according to claim 2, wherein the optical switching element is made of a material selected from the group consisting of IX_IIIB_VY_V. 4. The substrate (10) is a semi-insulating binary material (A_III
B_V), and the strip forming said light guide comprises a layer (1') of binary material of n^+ conductivity type (A_IIIB_V) and a layer (3) of quaternary material of n^- conductivity type (A_IIIX_IIIB_VY_V). The planar layer (2) is of n^-conductivity type 2.
The layer (1') of n^+ conductivity type, which is made of a material selected from the source material (A_IIIB_V) and the quaternary material (A_IIIX_IIIB_VY_V) and forms the lower layer of the light guide, is partially electrically conductive. 3. The optical switching element according to claim 2, wherein the optical switching element is interconnected with the optical switching element. 5. The electrode system comprises a layer of material of the n^+ conductivity type (
1 or 1') and a metal layer forming an ohmic contact, and four electrodes each arranged symmetrically and aligned with each other, two each on the main light guide and the sub light guide. F_1, F_2, F_3 and F'_1, F
'_2, F'_3, -F'_4 electrode groups E_i_i and E'_i_i, each of which is a region of p^+ conductivity type formed in the planar layer (2) above the light guide. (4) and a metal layer forming an ohmic contact with this region (
5). The optical switching element according to claim 3 or 4, characterized in that it is formed by: 6. Any one of claims 3 to 5, wherein the element A of the material is indium (In), the element B is phosphorus (P), the element X is gallium (Ga), and the element Y is arsenic (As). The optical switching element described in Crab. 7. The ohmic contact on the n^+ type layer (1, 1') is A
The p^+ type region (
4) The optical switching device according to any one of claims 3 to 6, wherein the upper ohmic contact is composed of a Ti-Pt-Au multilayer. 8, n input terminals IN_1, IN_2--IN_n
and n orthogonal output terminals I'_1, I'_2--I'
_n and m horizontal output terminals O_1, O_2, ---O
In an optical switching matrix that performs a switching operation between these input and output terminals, the matrix includes n×m optical switching elements according to any one of claims 1 to 7 as a main light guide of each element. An optical switching matrix characterized in that the sub light guides are arranged in two directions so as to be extensions of each other. 9. Each main orthogonal output guide or lateral output guide is directly provided with a detector D of the optical signal on its upper surface, which detector consists of an absorbing layer (30 ), a p^+ type region (40) is formed in the absorption layer, and an ohmic contact (50) is formed on the surface of the p^+ type region (40). 10. The absorption layer (30) is made of ternary material (A_IIIX_II
10. The optical switching matrix according to claim 9, characterized in that the optical switching matrix is constructed of IB_V). 11. The ohmic contact (50) of the detector is Ti-Pt-
10. The optical switching matrix according to claim 9, wherein the optical switching matrix is composed of multiple layers of Au. 12. In manufacturing the optical switching device according to claim 1, at least (a) a flat material along a crystal plane made of a binary material A_IIIB_V of n^+ conductivity type having a refractive index n_0 small with respect to the operating wavelength of the device; (b) forming a single crystal substrate (1) having a surface with a refractive index n_1> for wavelength λ on the surface of the substrate;
Quaternary material of n^-conductivity type with n_0 A_IIIX_II
(c) forming a flat epitaxial layer (3) of IB_VY_V; (c) reactive ion etching (
RIE) until the substrate (1) is etched to a small depth, and this etching is carried out using a mask (M
K_1), and after this etching process: ・orthogonal and lateral main light guides G_i_i and G'_i_
- a strip forming the sub-light guides H_i_i and H′_i_i and a mirror M_ perpendicular to the surface of the substrate at an angle of 45° to the optical axis of these guides;
A method for manufacturing an optical switching element, comprising the steps of: leaving a strip forming an i_i on a substrate; 13. In manufacturing the optical switching device according to claim 1, 2 or 4, (a') a crystal plane made of binary material A_IIIB_V having a small refractive index n'_0 with respect to the length λ; (b'_1) forming a semi-insulating single crystal substrate (10) having a flat surface along the wavelength λ; (b'_2) forming a flat epitaxial layer (1') of conductivity type binary material A_IIIB_V, and (b'_2) a layer with a refractive index n_1>n_0, n (C') forming a flat epitaxial layer (3) of n^-conductivity type having a conductivity of Substrate (10)
is etched to a small depth, this etching delimits the light guide and the mirror M_i_i perpendicular to the substrate at 45° to the optical axis of the light guide and the n^+ layer ( 1′) leaving interconnecting parts between different parts of the light guide (MK′_
1) A method for manufacturing an optical switching element, comprising the steps of: 14. Between steps (b'_2) and (C'), (C_0)
A mask (MK_5) is formed to cover the entire surface of the light guides G_i_i and/or G'_i_i except for the output ends, and an absorption layer (30) for the operating wavelength is formed on the surfaces of the ends of these light guides. 14. The method according to claim 13, characterized in that a step of removing the mask (MK_5) is inserted. 15, (d) small refractive index n_ such that n_2<n_1
A planar layer (2) of a binary material A_IIIB_V of n^-conductivity type having 2 is epitaxially grown, and during this epitaxial growth a mask (MK_2) is used to form a mirror M_i_i
(e) masking the surface p^ of the absorbing region (30), if any, by ion implantation or diffusion through the opening of the mask (MK_3);
A region (40) of + conductivity type is formed, and a region (40) of p^+ conductivity type is formed on the surface of the planar layer portion above the light guide.
) to form two contact areas (F_1, F_2 and F_3) above the light guides G_i_i and F_i_i, respectively.
, F_4) and two contact areas (F'_i_i) above the light guides G'_i_i and F'_i_i, respectively.
(f) forming metal contacts (5 and 50) on the surfaces of these p^+ conductivity type regions (4 and 40); and (g) forming a metal layer (6) on the surface of the n^+ conductivity type layer (1) or (1') to form a mass contact (M). Claim 12, 13 or 1, characterized in that
The method described in 4.
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